基于充电法的滑坡深部位移监测仪设计

摘  要： 利用地球物理中的充电法原理，成功设计了基于充电法原理的滑坡监测仪。监测仪由电极转换模块、信号测量模块、远程传输模块及电源模块四部分组成。微控制器控制电极转换模块将供电电压通过位于井中的供电电极供入地下，信号测量模块完成布设于地面的测量电极之间的电压和供电电流的采集，远程传输模块将采集到的电压值和电流值传输到监控中心，从而实现对滑坡的远程监测。最后给出了野外应用试验，试验结果表明监测仪器能稳定工作。
关键词： 充电法；数据采集；滑坡监测

    滑坡作为地质灾害中较为严重的一类，其危害是不容忽视的，许多科研人员和工程技术人员都对滑坡监测进行了深入的研究。滑坡监测作为预防滑坡的主要手段，指通过各种方法来预测滑坡的趋势，为滑坡治理提供科学的依据[1]。本文以充电法(电法勘探类的一种方法)[2]的基本原理为基础，通过观测埋藏于滑坡面上、下不同点的电极在地表的电位分布与变化，从而达到滑坡位移示踪的目的。
1 仪器设计原理
    基于充电法原理，在滑坡体深部布设金属球（供电电极），它们分别为A1、A2、A3……。然后将钻孔回填夯实，保持地层结构不变；另一供电电极B置于钻孔足够远处，作为无穷远电极B（距离一般选择为最大埋深电极的20~50倍），在钻孔附近布设多个测量电极M，测量电极N选在B电极处。首先给A1B供电，测量整个阵列MN间的电位差，绘制出此时的电位曲线，依次给A2B、A3B……供电，同样绘制出电位曲线。按照一定时间间隔继续进行相同操作，对比不同时间的电位曲线，若同一供电电极的电位曲线没有发生电位错动，说明该深度处未发生位移，若出现电位曲线不重合现象，则可根据等电位线移动的方向和距离，以及观测的相隔时间，求出滑动方向和滑动速度[3]。图1为装置示意图。

2 仪器设计框图
    依据充电法的原理，结合传统的直流电法仪器，设计制作的充电法滑坡监测仪整体框图如图2所示。该仪器由电极转换模块、信号测量模块、远程传输模块及电源模块4部分组成。

    电极转换模块在监测仪工作过程中负责供电电极A、B及测量电极M、N的切换；信号测量模块由电压测量通道和电流测量通道组成，每个测量通道均由前置放大电路、10 Hz低通滤波电路、50 Hz陷波电路、主放电路组成；微处理器控制部分采用STM32微控制器作为控制核心[4-7]，其在测量过程中控制供电电极A、B和测量电极M、N的切换，同时也自动地控制着电压测量通道的放大倍数、采集数据的存储显示及数据的远程传输等功能；远程传输模块将采集的数据通过GSM网络发射到监控中心，监控中心通过采集软件接收测量的数据；电源模块由蓄电池、DC/DC及其控制电路组成，提供监测仪工作所需电压以及为供电电极提供48 V、96 V、192 V 3种可选供电电压。
3 滑坡监测仪软件结构
    充电法滑坡监测仪的数据采集处理软件主要针对STM32微控制器进行编程，具体实现监测仪器的初始化、系统参数的输入，控制供电电极切换电路，将供电电压通过供电电极A、B供入地下，控制测量电极选择电路，选择合适的测量电极M、N，读取M、N间的电压值及供电电流值，然后将采集到的数据保存在U盘中，同时将采集到的数据通过远程传输模块发送到控制中心。软件主体采用C语言编写[8]，其流程图如图3所示。

4 监测中心采集软件
    监测中心采集软件采用VB编写，主要是基于WinSock控件的服务器程序的开发[9]。其主要流程及使用的主要函数如图4所示。WinSock控件是一个ActiveX控件，允许使用传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）和用户数据协议UDP（User DataGram Protocol）两个传输层协议。使用WinSock控件时，通信双方要使用相同的协议，当客户端向服务器端发出连接请求时，服务器端不停地监听客户端发出的消息。一旦连接成功，任何一方都可以通过 SendData发送数据，并借助GetData把数据分离出来[10]。

5 野外监测实验

      为了验证所设计的滑坡监测仪是否能稳定工作，选取野外试验场地模拟仪器处于滑坡监测的状态。实际选取的野外试验场地在乌鲁木齐市郊甘河子大桥附近，地面上的30个测量电极布置成两条平行测线，测线间距为30 cm，每个电极间隔25 cm，即A1离地面25 cm，A2离地面50 cm；供电电极B及另一测量电极N布置在近似于无穷远处；初始时2个供电电极均布置在M8正下方，模拟滑坡监测的初始状态，将各电极连接至滑坡监测仪，测量不同时刻各测量电极M电位的变化。图5为供电电极A1和A2不同位置测量电位变化图，从图中可以看出，电极的位置移动与测量的点位曲线一一对应，说明了设计的滑坡监测仪实现了预期目标。

    本文利用地球物理中的充电法原理，研制了基于充电法的滑坡监测仪器，并经过野外模拟试验验证了所研制的滑坡监测仪能够长期稳定工作。在实际应用时，配以太阳能装置，即可实现长时间的无人值守的自动监测。
参考文献
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